本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的人體面部皮膚水分、彈性指標(biāo)計(jì)算方法，屬于化妝品科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對(duì)自身皮膚質(zhì)量的重視度越來(lái)越強(qiáng)，皮膚作為人體天然的屏障，具有保護(hù)、感覺、吸收、分泌、排泄、調(diào)節(jié)體溫和免疫等作用，面部膚質(zhì)也是重要的審美標(biāo)準(zhǔn)之一，因此，簡(jiǎn)單有效的皮膚狀態(tài)參數(shù)計(jì)算方法具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際意義。

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者致力于膚質(zhì)測(cè)量、評(píng)價(jià)的研究。皮膚關(guān)鍵生理指標(biāo)包括水分、彈性等，對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)有助于了解人體皮膚狀態(tài)。然而評(píng)價(jià)的前提是測(cè)得對(duì)應(yīng)指標(biāo)值，已有測(cè)試方法雖然都達(dá)到了一定的準(zhǔn)確性，但是普遍存在算法復(fù)雜、可操作性差等問題。

皮膚水分對(duì)于保護(hù)人體及皮膚有重要的意義，皮膚水分充足使皮膚更加水靈、細(xì)膩，對(duì)抑制皮膚衰老也有一定的作用，然而，傳統(tǒng)的皮膚水分含量檢測(cè)方法存在一定缺陷，常見的皮膚水分含量檢測(cè)使用兩個(gè)工具：一個(gè)是皮膚水分測(cè)試儀，一個(gè)是PH試紙，但是前者難以排除皮膚表面游離水產(chǎn)生的誤差，后者屬于偏酸或偏堿性的產(chǎn)品對(duì)皮膚有直接性的刺激性的損害，一般要注意使用。皮膚彈性是人類皮膚表面生物學(xué)狀況研究的重要內(nèi)容，人體皮膚許多生理功能的實(shí)現(xiàn)都依賴于其力學(xué)性能，而皮膚的彈性性能是皮膚力學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)，因此，皮膚彈性性能的研究對(duì)于人們保持皮膚健康，提高生活質(zhì)量具有重要的意義，目前，皮膚彈性的測(cè)試一般使用皮膚彈性測(cè)試儀，這種儀器用來(lái)測(cè)量一定區(qū)域的皮膚在一個(gè)吸引強(qiáng)制力的作用下的變形以及復(fù)原的能力，測(cè)量的分析局限于彈性。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)皮膚狀態(tài)參數(shù)測(cè)量方法進(jìn)行了深入的研究，但主要集中在皮膚紋理、粗糙度等指標(biāo)，這些指標(biāo)在皮膚評(píng)價(jià)中具有一定的參考價(jià)值，但是普遍存在獲取方式復(fù)雜、可操作性差等問題。采用圖像處理技術(shù)進(jìn)行皮膚水分及彈性指標(biāo)的計(jì)算方法為簡(jiǎn)化指標(biāo)獲取方式、提高皮膚測(cè)量的可操作性提供了有效途徑，目前未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明對(duì)人體面部皮膚水分、彈性指標(biāo)的計(jì)算方法進(jìn)行研究，目的是解決現(xiàn)有皮膚測(cè)量方法中皮膚指標(biāo)獲取方式復(fù)雜、可操作性差等問題，針對(duì)人體面部皮膚的圖像，在采用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取皮膚光澤度指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建皮膚光澤度測(cè)量值的歸一化值與水分 歸一化值轉(zhuǎn)化模型、光澤度測(cè)量值的歸一化值與彈性歸一化值轉(zhuǎn)化模型，計(jì)算皮膚水分、彈性指標(biāo)量值，從而為簡(jiǎn)化指標(biāo)獲取方式、提高皮膚測(cè)量的可操作性提供了有效途徑，以便實(shí)現(xiàn)人體面部膚質(zhì)的多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)。

人體面部皮膚的光澤度、水分以及彈性指標(biāo)在機(jī)理上具有一定相關(guān)性，即光澤度越高，水分越多，彈性越強(qiáng)。本發(fā)明基于微積分的思想，先對(duì)已有的樣本光澤度測(cè)量值歸一化后，將光澤度測(cè)量值的歸一化值劃分為n個(gè)等距區(qū)間，并得到n個(gè)邊界閾值，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)利用最速下降法做三個(gè)指標(biāo)歸一化值的關(guān)系擬合，由此求出n個(gè)區(qū)間光澤度測(cè)量值的歸一化值與水分歸一化值轉(zhuǎn)化模型、光澤度測(cè)量值的歸一化值與彈性歸一化值轉(zhuǎn)化模型。從而每個(gè)區(qū)間內(nèi)將有兩個(gè)轉(zhuǎn)化模型，在已知光澤度測(cè)量值的歸一化值情況下，利用這兩個(gè)轉(zhuǎn)化模型就可以得出對(duì)應(yīng)的水分、彈性歸一化值。將利用數(shù)字圖像處理技術(shù)得到的光澤度計(jì)算值對(duì)應(yīng)于光澤度測(cè)量值的歸一化值的劃分區(qū)間，利用相應(yīng)區(qū)間的轉(zhuǎn)化模型就可以得出對(duì)應(yīng)皮膚水分及彈性指標(biāo)的計(jì)算值。

本發(fā)明提供的基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的人體面部皮膚水分、彈性指標(biāo)計(jì)算方法主要包括以下五個(gè)步驟：

步驟一、測(cè)試者人體面部皮膚數(shù)字圖像采集；

利用面部圖像采集儀器分別采集測(cè)試者面部額頭、左眼角、左臉頰和下巴四個(gè)部位的皮膚數(shù)字圖像。

步驟二、測(cè)試者光澤度計(jì)算值的歸一化值獲取；

利用基于單尺度Retinex(SSR)的算法進(jìn)行人體面部皮膚數(shù)字圖像處理，從而得到皮膚光澤度計(jì)算值，結(jié)合已有測(cè)試者樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中光澤度數(shù)據(jù)對(duì)光澤度計(jì)算值進(jìn)行歸一化，得到光澤度計(jì)算值的歸一化值。

步驟三、確定測(cè)試者皮膚光澤度計(jì)算值的歸一化值所屬區(qū)間；

針對(duì)每一名測(cè)試者，通過已有高端儀器測(cè)出測(cè)試者皮膚的光澤度、水分、彈性真實(shí)測(cè)量值。結(jié)合已有測(cè)試者樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中光澤度數(shù)據(jù)對(duì)皮膚光澤度測(cè)量值歸一化，得到光澤度測(cè)量值的歸一化值，將所述的光澤度測(cè)量值的歸一化值劃分若干個(gè)等距區(qū)間，確定每個(gè)區(qū)間的邊界閾值，并確定測(cè)試者皮膚光澤度計(jì)算值的歸一化值所屬區(qū)間。

步驟四、計(jì)算測(cè)試者皮膚光澤度計(jì)算值的歸一化值所屬區(qū)間的水分、彈性指標(biāo)值；

對(duì)光澤度測(cè)量值的歸一化值的各個(gè)區(qū)間采用最速下降法做關(guān)系擬合，構(gòu)建光澤度與水分歸一化值轉(zhuǎn)化模型、光澤度與彈性歸一化值轉(zhuǎn)化模型；根據(jù)所述轉(zhuǎn)化模型分別計(jì)算所述的所屬區(qū)間內(nèi)的皮膚水分、彈性計(jì)算值。

步驟五、計(jì)算不同區(qū)間內(nèi)兩個(gè)轉(zhuǎn)化模型的誤差進(jìn)而驗(yàn)證相應(yīng)轉(zhuǎn)化模型的可靠性；

利用剩余樣本計(jì)算不同區(qū)間內(nèi)通過相應(yīng)的水分—光澤度及彈性—光澤度的轉(zhuǎn)化模型得到 的水分、彈性計(jì)算值與對(duì)應(yīng)的儀器測(cè)量值之間的誤差，從而驗(yàn)證相應(yīng)轉(zhuǎn)化模型的可靠性。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，提出一種獲取皮膚水分、彈性指標(biāo)值的計(jì)算模型，簡(jiǎn)化指標(biāo)獲取方式，提高皮膚測(cè)量的可操作性。

2、本發(fā)明利用微積分的思想，通過閾值劃分區(qū)間，在不同區(qū)間內(nèi)計(jì)算皮膚彈性、水分指標(biāo)值，簡(jiǎn)化了計(jì)算模型。

3、本發(fā)明利用最速下降法建立了不同區(qū)間內(nèi)皮膚水分、彈性與光澤度計(jì)算值歸一化后之間的轉(zhuǎn)化模型，提高了皮膚水分、彈性指標(biāo)值計(jì)算的精確性和可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的人體面部皮膚水分、彈性指標(biāo)值計(jì)算方法的總體流程圖；

圖2是實(shí)施例1采集的使用者的四個(gè)不同部位的皮膚圖像，其中，(a)部位代表額頭，(b)部位代表左眼角，(c)部位代表左臉頰，(d)部位代表下巴。

圖3是本發(fā)明利用樣本確定光澤度儀器測(cè)量值歸一化區(qū)間邊界閾值，構(gòu)建不同區(qū)間內(nèi)水分—光澤度兩者歸一化值及彈性—光澤度兩者歸一化值轉(zhuǎn)化模型流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例1對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供的基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的面部皮膚水分、彈性指標(biāo)計(jì)算方法，具體方法實(shí)施流程如圖1所示，通過如下步驟實(shí)現(xiàn):

步驟一、測(cè)試者人體面部皮膚數(shù)字圖像采集；

利用具有高清500萬(wàn)像素鏡頭的皮膚測(cè)試儀對(duì)測(cè)試者的面部額頭、左眼角、左臉頰和下巴等部位的皮膚數(shù)字圖像進(jìn)行采集，盡量保證皮膚數(shù)字圖像紋理清晰無(wú)雜質(zhì)，從而避免因皮膚數(shù)字圖像引起的誤差。

測(cè)試者所處環(huán)境盡量保持安靜、舒適、穩(wěn)定，處在自然的測(cè)試環(huán)境可以有效而準(zhǔn)確的反映測(cè)試者的水分、彈性指標(biāo)值。

步驟二、測(cè)試者光澤度計(jì)算值的歸一化值獲??；

利用基于單尺度Retinex(SSR)的算法進(jìn)行人體面部皮膚數(shù)字圖像處理獲得反射圖像，根據(jù)反射圖像像素的平均值得到皮膚光澤度計(jì)算值，利用已有測(cè)試者樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中光澤度數(shù)據(jù)對(duì)光澤度計(jì)算值進(jìn)行歸一化，得到光澤度計(jì)算值的歸一化值。

步驟三、確定測(cè)試者皮膚光澤度計(jì)算值的歸一化值所屬區(qū)間；

采集人臉面部皮膚數(shù)字圖像時(shí)具體采集要求及注意事項(xiàng)如下：

1)測(cè)試環(huán)境要盡量保持安靜、舒適、穩(wěn)定，給測(cè)試者提供自然的測(cè)試環(huán)境；

2)詳細(xì)制定測(cè)試步驟流程，讓測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)秩序井然，避免測(cè)試者急躁、慌亂從而影響人臉面部皮膚數(shù)字圖像的采集。

針對(duì)每一名測(cè)試者，利用已有的高端儀器測(cè)量測(cè)試者皮膚的水分、彈性、光澤度的真實(shí)測(cè)量值，依次標(biāo)記為W_真、T_真、G_真。其中利用對(duì)80％測(cè)試者樣本皮膚光澤度測(cè)量值的歸一化值劃分若干個(gè)等距區(qū)間，確定每個(gè)區(qū)間的邊界閾值，剩下的20％測(cè)試者樣本皮膚用于驗(yàn)證模型可靠性。例如：用于劃分區(qū)間的樣本皮膚光澤度測(cè)量值有N個(gè)，將N個(gè)光澤度測(cè)量值的歸一化值從小到大排序后劃分為n個(gè)區(qū)間(假設(shè)N恰好能被n整除)，那么第N/n*i(其中i取正整數(shù)，區(qū)間是1＜i＜n，表示第i個(gè)區(qū)間)個(gè)樣本光澤度測(cè)量值的歸一化值即為第i個(gè)區(qū)間的邊界閾值T_i。通過T_i就可以確定測(cè)試者光澤度計(jì)算值的歸一化值的所屬區(qū)間。

步驟四、計(jì)算測(cè)試者皮膚光澤度計(jì)算值的歸一化值所屬區(qū)間的水分、彈性指標(biāo)值；

在不同的區(qū)間內(nèi)，利用最速下降法做關(guān)系擬合，從而構(gòu)建皮膚光澤度與水分歸一化值轉(zhuǎn)化模型、彈性與光澤度歸一化值轉(zhuǎn)化模型，為所屬不同區(qū)間內(nèi)的皮膚水分、彈性指標(biāo)值計(jì)算提供關(guān)系表達(dá)式。

假設(shè)劃分2個(gè)區(qū)間，則轉(zhuǎn)化模型的目標(biāo)函數(shù)如下式(1)-(4)所示：

T_彈1＝R_光1·K1 (1)

W_水1＝R_光1·K₂₍₂₎

T_彈2＝R_光2·K₃ (3)

W_水2＝R_光2·K₄₍₄₎

其中，T_彈1、T_彈2分別表示區(qū)間1、2內(nèi)得到的彈性歸一化值，W_水1、W_水2分別表示區(qū)間1、2內(nèi)得到的水分歸一化值，R_光1、R_光2分別表示兩個(gè)不同的區(qū)間光澤度計(jì)算值的歸一化值。K1表示區(qū)間1內(nèi)彈性與光澤度歸一化值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化模型比例值，K₂表示區(qū)間1內(nèi)水分與光澤度歸一化值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化模型比例值，K₃表示區(qū)間2內(nèi)彈性與光澤度歸一化值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化模型比例值，K₄表示區(qū)間2內(nèi)水分與光澤度歸一化值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化模型比例值。

利用樣本確定的不同區(qū)間內(nèi)的光澤度與水分歸一化值轉(zhuǎn)化模型、光澤度與彈性歸一化值轉(zhuǎn)化模型，計(jì)算步驟三所確定區(qū)間內(nèi)皮膚水分歸一化值、彈性歸一化值，將所述的水分歸一化值和彈性歸一化值分別乘以已有測(cè)試者數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)，得出水分、彈性的指標(biāo)值即為最終的計(jì)算值。

步驟五、計(jì)算不同區(qū)間內(nèi)目標(biāo)函數(shù)模型誤差進(jìn)而驗(yàn)證模型的可靠性；

在步驟三中采集到的樣本80％用來(lái)劃分區(qū)間確定區(qū)間邊界閾值，剩余20％部分樣本將用來(lái)計(jì)算模型輸出值誤差，從而驗(yàn)證模型可靠性，具體做法如下：

1、將步驟三剩余樣本皮膚圖像重復(fù)步驟二到步驟四，得到這些樣本通過模型計(jì)算得出的彈性體歸一化值水分歸一化值

2、依次分別計(jì)算這些樣本彈性體歸一化值與彈性真實(shí)測(cè)量值T_真，水分歸一化值 與水分真實(shí)測(cè)量值W_真的相關(guān)平方誤差(RSE)。

3、計(jì)算剩余20％樣本的RSE的平均值作為驗(yàn)證模型可靠性的標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)施例1：

步驟一、測(cè)試者人體面部皮膚數(shù)字圖像采集；

利用面部圖像采集儀器(億衡牌，型號(hào)為EH-900U的最新高清500萬(wàn)像素皮膚檢測(cè)儀)分別采集測(cè)試者面部額頭、左眼角、左臉頰和下巴四個(gè)部位的膚質(zhì)圖像，如附圖2所示。

步驟二、測(cè)試者光澤度計(jì)算值的歸一化值獲??；

利用基于單尺度Retinex(SSR)的算法進(jìn)行人體面部皮膚數(shù)字圖像處理得到反射圖像，根據(jù)反射圖像像素的平均值得到皮膚光澤度計(jì)算值，利用已有測(cè)試者樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中光澤度數(shù)據(jù)對(duì)光澤度計(jì)算值進(jìn)行歸一化，得到光澤度計(jì)算值的歸一化值。光澤度計(jì)算值的歸一化值作為已構(gòu)建模型目標(biāo)函數(shù)的輸入值。測(cè)試者的四個(gè)不同部位對(duì)應(yīng)的光澤度計(jì)算值如下表1所示，歸一化后的值如下表2所示：

表1 測(cè)試者四個(gè)部位光澤度計(jì)算值

表2 測(cè)試者四個(gè)部位光澤度計(jì)算值的歸一化值

其中(a)表示額頭部位，(b)表示左眼角部位，(c)表示左臉頰部位，(d)表示下巴部位。

步驟三、確定測(cè)試者皮膚光澤度計(jì)算值的歸一化值所屬區(qū)間；

首先，要構(gòu)建樣本皮膚圖庫(kù)：

1、志愿者樣本面部皮膚圖像的獲??；

儀器及設(shè)備：

A)面部皮膚圖像采集儀器:同步驟一的測(cè)試者皮膚圖像采集儀器。

B)皮膚光澤度真實(shí)值測(cè)試探頭型號(hào):GL200，廠商:德國(guó)CK公司。

樣本數(shù)據(jù)采集：

a)志愿者要求:由于最終的研發(fā)成品(皮膚診斷儀)的用戶大部分會(huì)是女性，所以以女性樣本為主，本次數(shù)據(jù)采集共招募196名志愿者，年齡段集中在18-24歲之間并且主要考慮女性。

b)測(cè)試環(huán)境:確保每組數(shù)據(jù)測(cè)試環(huán)境(光線、溫度、水分等)的舒適性與一致性，保證面部潔凈、干爽，維持整個(gè)測(cè)試環(huán)境安靜、友好。

2、面部皮膚圖庫(kù)構(gòu)建：

對(duì)196位志愿者(年齡在18至24歲之間)進(jìn)行面部皮膚圖像采集(男生20名、女生176名)，具體部位為面部額頭、左眼角、左臉頰和下巴。其中，男生的皮膚圖片依次編號(hào)為21001—21020，女生的皮膚圖片依次編號(hào)為22001—22176。圖庫(kù)實(shí)例如圖2所示，(a)表示額頭部位，(b)表示左眼角部位，(c)表示左臉頰部位，(d)表示下巴部位。

將196個(gè)數(shù)據(jù)中的160個(gè)數(shù)據(jù)光澤度真實(shí)測(cè)量值歸一化后作為確定區(qū)間閾值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將160個(gè)數(shù)據(jù)平均劃分為4個(gè)區(qū)間，各部位區(qū)間邊界閾值如下表3所示。

表3 四個(gè)部位光澤度真實(shí)測(cè)量值歸一化后劃分區(qū)間邊界閾值

通過已有邊界閾值確定步驟二所測(cè)皮膚光澤度計(jì)算值的歸一化值所屬區(qū)間。由表2和表3可知，測(cè)試者a、b、c部位均屬區(qū)間4，d部位屬區(qū)間3。

步驟四、計(jì)算測(cè)試者皮膚光澤度計(jì)算值的歸一化值所屬區(qū)間的水分、彈性指標(biāo)值；

利用最速下降法測(cè)得四個(gè)部位四個(gè)區(qū)間的水分—光澤度兩者歸一化比例系數(shù)如下表4所示。

表4 四個(gè)部位四個(gè)區(qū)間內(nèi)的水分—光澤度兩者歸一化比例系數(shù)

同上步驟，將對(duì)應(yīng)的160個(gè)數(shù)據(jù)歸一化后作為劃分光澤度標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間邊界閾值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將160個(gè)數(shù)據(jù)平均劃分為4個(gè)區(qū)間，各部位邊界閾值如上表3所示。利用最速下降法測(cè)得四個(gè)部位四個(gè)區(qū)間的彈性—光澤度比例系數(shù)如下表5所示。

表5 四個(gè)部位四個(gè)區(qū)間內(nèi)的彈性—光澤度比例系數(shù)

對(duì)已有樣本皮膚光澤度測(cè)量值的歸一化值劃分區(qū)間后，在不同的區(qū)間內(nèi)，利用最速下降法做關(guān)系擬合，從而構(gòu)建皮膚光澤度與水分歸一化值轉(zhuǎn)化模型、光澤度與彈性歸一化值轉(zhuǎn)化模型，為所屬不同區(qū)間內(nèi)的皮膚水分、彈性計(jì)算提供關(guān)系表達(dá)式。

綜上可得:

測(cè)試者a部位的水分歸一化值W_水4＝0.00611*1.065730835＝0.00651161540185

彈性歸一化值T_彈4＝0.00611*0.549295775＝0.00335619718525

b部位的水分歸一化值W_水4＝0.00617*0.804884825＝0.00496613937025

彈性歸一化值T_彈4＝0.00617*0.588235294＝0.00362941176398

c部位的水分歸一化值W_水4＝0.00618*0.512195122＝0.00316536585396

彈性歸一化值T_彈4＝0.00618*0.62195122＝0.0038436585396

d部位的水分歸一化值W_水4＝0.00559*0.083921314＝0.00046912014526

彈性歸一化值T_彈4＝0.00559*0.959228905＝0.00536208957895

樣本水分、彈性歸一化時(shí)所用總和如下表6所示：

表6 四個(gè)部位水分、彈性歸一化總和

由此可得：測(cè)試者四個(gè)部位水分、彈性指標(biāo)計(jì)算值如下表7所示：

表7 使用者四個(gè)部位水分、彈性指標(biāo)計(jì)算值

步驟五、計(jì)算不同區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)化模型誤差進(jìn)而驗(yàn)證轉(zhuǎn)化模型的可靠性；

利用剩余的36個(gè)樣本計(jì)算不同區(qū)間內(nèi)通過相應(yīng)的水分—光澤度及彈性—光澤度的轉(zhuǎn)化模型得到的水分、彈性計(jì)算值與對(duì)應(yīng)的真實(shí)儀器測(cè)量值之間的誤差，從而測(cè)試轉(zhuǎn)化模型的可靠性。

將36個(gè)樣本分在同一區(qū)間內(nèi)的相關(guān)平方誤差(RSE)求平均值后如下表8、表9所示：

表8 四個(gè)區(qū)間內(nèi)不同部位水分測(cè)試模型RSE誤差均值

表9 四個(gè)區(qū)間內(nèi)不同部位彈性測(cè)試模型RSE誤差均值

通過實(shí)施例1可以看出：通過構(gòu)建基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的人體面部皮膚水分、彈性指標(biāo)計(jì)算模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，誤差大部分控制在20％左右，有的甚至在10％以內(nèi)，結(jié)論驗(yàn)證了該方法可以有效、快速地進(jìn)行人體面部水分、彈性測(cè)試計(jì)算，進(jìn)而為人體皮膚質(zhì)量評(píng)價(jià)提供一種圖像處理技術(shù)的新思路。